Y2BaCuO5粒子在准单畴超导块材中的分布及其对磁悬浮力的影响

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1、http://www.paper.edu.cnY211粒子在准单畴超导块材中的分布及其对1磁悬浮力的影响刘建军，徐克西，邱静和，吴兴达，周克然上海大学物理系，上海（200444）E-mail：jianjunfly@shu.edu.cn摘要：熔融织构准单畴YBCO超导块材中的Y2BaCuO5（Y211）相粒子可以起到增强材料磁通钉扎力的作用。实验发现，顶部籽晶诱导生长熔融织构YBCO超导块材中的Y211粒子分布呈不均匀性。Y211相粒子在近籽晶处密度较低，而在样品底部则密度较高，并且呈现Y211粒子团聚现象。通过优化Y211相粒子在母体中的分布，可

2、以有效提高YBCO块材的磁悬浮力。实验研究结果表明，Y211相粒子在母体中的分布越均匀，且Y211粒子平均粒径越小，则块材的磁悬浮力则越大。关键词：熔融织构块材，Y211粒子分布，磁悬浮力PACC:7460,74701引言融熔织构超导块材制备工艺的不断改进，使得YBCO超导块材的性能达到了实用化标[1,2][3,4][5]准，并且在无摩擦超导磁性轴承、飞轮储能、磁悬浮列车等方面的应用有了广阔的发展空间。在上述应用中，材料的磁悬浮力大小是至关重要的因素。磁悬浮力表达式一般可近似表示为：F∝Jc∗d∗dBdZ，d是超导环流尺寸(对单畴超导块，d等于超

3、导块的直径)，dB/dZ是外磁场梯度。根据这个公式可以看出，实现大尺寸的单畴超导块材和提高临界电流密度Jc的值是高温超导块材应用中非常重要的环节。氧化物高温超导块材由于其本身存在着晶界间的弱连接效应和较弱的磁通钉扎能力而影响了超导电流的传输，使得块材Jc值不高。近年来提出了熔融织构生长法（MTG）结合顶部籽晶工艺（TSP）即顶部籽晶熔融织构法[18]（TSMTG）使Y123晶粒定向生长，从而在很大程度上消除了晶界间的弱连接；同时通过引入缺陷或第二相颗粒增强了超导块材的磁通钉扎能力，进一步提高了YBCO超导体的实用性能。块材中加入的第二相颗粒需要有

4、相对稳定的化学性质，并且颗粒的空间和大小分布希望能够可以控制。对于熔融织构YBCO块材，通常在YBa2Cu3O7−δ（Y123）母体中加入适量的Y2BaCuO5（Y211）颗粒作为有效的磁通钉扎源。但是未经过处理的Y211颗粒度相对于超导相干长度来说有时会显得过大，从而起不到增强磁通钉扎的作用。如果在前驱粉体中掺入适量的PtO2，CeO2或者ZrO等可以达到细化Y211粒子的目的，从而提高临界电流密度[6-9][10]。对于Y211相粒子的空间分布的控制则可以通过前驱粉体的优化、人为的调整熔炉的温度程序来实现。1高等学校博士学科点专项科研基金（项

5、目编号：20040280007）资助课题-1-http://www.paper.edu.cn本文研究了Y211相粒子在熔融织构YBCO块材中的分布，及其对块材样品磁悬浮力的影响。SEM分析发现，同一样品中靠近籽晶部位Y211相的粒径较小、密度较低、但分布比较均匀，而远离籽晶的部位Y211粒子平均粒径较大、分布不均匀、且Y211粒子发生团聚现象。通过对样品磁悬浮力的测试发现，Y211相的空间分布越均匀、且Y211颗粒度越小，则样品的磁悬浮力越大；反之，样品的磁悬浮力就越小。2实验2.1熔融织构YBCO块材的制备高纯度的Y2O3、BaCO3、CuO粉

6、末按Y∶Ba∶Cu=1∶2∶3和2∶1∶1的摩尔比分别称量配比，研磨后置于自动控温立式炉中，在950℃左右烧结约30小时，完全反应后生成Y123相黑色粉末和Y211相绿色粉末。将Y123粉末与Y211粉末按1：0.3摩尔比混合，加入的CeO2的重量为Y123粉末与Y211粉末总重量的0.5％。三种粉体经过球磨混合均匀，用单轴模具压成直径为20mm厚度为6-10mm的圆柱状样品。用超导体晶格参数与YBCO生长物匹配且熔点更高SmBaCuO作为籽晶，籽晶尺寸大小为2mm×2mm×1mm。入炉前，将籽晶放在YBCO样品的顶部中心，并且使SmBaCuO籽

7、晶的ab面尽量与样品的表面接触，使能保证单成核点和织构化样品沿着c轴方向生长(垂直于样品表面)。在Al2O3底板上依次叠放氧化物衬底和YBCO样品。入炉后，将样品以较快的速率升温至930℃,保持温度约5h，然后快速升温至1045℃(样品在1015℃左右开始包晶分解反应)，保持温度0.5h，降温到995℃后以0.2-1℃/h的速率缓慢通过包晶反应区，当降到温度980℃，自然降温。最后将样品在500℃下的流动氧气氛围中吸氧处理大约150-200小时，得到准单畴YBCO超导块材。2.2实验测量用专门的超导材料磁悬浮力测量仪来测量吸氧处理过的圆柱状样品。

8、磁悬浮力测试装置：.超导块固定在一个由夹布胶木制成的液氮容器中，压力传感器与容器和基座相连，NdFeB永久磁铁（φ20ｍｍ×10ｍｍ）吸